KR102366241B1 - 연마 헤드, 연마 헤드를 갖는 cmp 연마 장치 및 cmp 연마 장치를 이용한 반도체 집적회로 장치의 제조 방법 - Google Patents

연마 헤드, 연마 헤드를 갖는 cmp 연마 장치 및 cmp 연마 장치를 이용한 반도체 집적회로 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

CMP 연마 장치의 연마 헤드에서, 연마 패드상의 웨이퍼와 웨이퍼를 누르는 에어백의 사이에, 금속 혹은 세라믹으로 이루어지는 응력 분산판을 배치하고, 응력 분산판과 하방의 웨이퍼의 사이에 충격 흡수 시트를 설치하여, 압축 에어에 의한, 에어백으로부터 웨이퍼에 가해지는 압력을 균일화한다.

Description

연마 헤드, 연마 헤드를 갖는 CMP 연마 장치 및 CMP 연마 장치를 이용한 반도체 집적회로 장치의 제조 방법{POLISHING HEAD, CMP POLISHING DEVICE WITH POLISHING HEAD, AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE USING CMP POLISHING DEVICE}
본 발명은, 웨이퍼 면내를 균일하게 평탄화하기 위한 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 구조, 그 연마 헤드를 갖는 CMP 연마 장치, 및 그 CMP 연마 장치를 이용한 반도체 집적회로 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 집적회로(이하, LSI라 한다)의 고집적화, 고성능화에 따라 새로운 미세 가공 기술이 개발되고 있다. 화학 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하, 머리글자를 따서 CMP라고도 한다)도 그 하나이며, LSI 제조 공정, 특히, 다층 배선 형성 공정에서의 층간 절연막의 평탄화, 금속 플러그의 형성, 매설 배선의 형성 등에서 빈번히 이용되는 기술이다.
CMP 연마 장치의 기본적인 구조는, 연마 패드가 부착된 회전 정반, 웨이퍼 유지 헤드, 슬러리 공급 노즐이 있으며, 또한 패드의 재생 장치(컨디셔너)가 구비되어 있다. 연마 패드가 부착된 회전 정반은, 반드시 하나는 아니며, 복수의 회전 정반으로 이루어지고 이들이 자공전하는 기구를 갖는 것도 있다. 반대로, 하나의 패드에 대해 복수의 헤드를 갖는 것도 있다.
또 CMP 장치를 제어하는 파라미터로서는, 연마 방식 외에, 연마 하중, 정반의 회전 속도, 헤드의 회전 속도, 슬러리의 선택·공급 방법, 컨디셔닝의 조건·빈도 등이 있다.
도 8과 같이, 웨이퍼를 고정시키는 헤드부에서 에어백을 가압하는 방법이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또 에어백을 가압할 때에 웨이퍼 영역을 세분화하여 분압하는 방법으로 연마의 균일화를 촉진하는 방법이 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본국 특허공개 2005－268566호 공보 일본국 특허공개 2007－005463호 공보
특허문헌 1에 나타난 에어백을 이용한 가압에 의한 웨이퍼를 고정하는 헤드 구조를 이하에 설명한다. 즉, 가압된 에어백의 압력이 에어백의 외주부에서 국소적으로 고압이 되고, 그 부분에 접하는 웨이퍼 영역은 다른 영역에 비해 연마 패드에 강하게 눌러져, 다른 웨이퍼 영역보다 피연마 절연 재료가 많이 깎여져 버린다. 웨이퍼의 일부 영역의 피연마 절연 재료가 과도하게 깎여짐으로써, 웨이퍼 면내의 연마 균일성이 불균일해지고, 그 결과, 웨이퍼 면내의 절연 재료의 막두께 편차가 생긴다. 막두께 편차가 발생한 웨이퍼 영역은 전기 특성에 편차가 생기고, 경우에 따라서는 전기 특성상의 이상이 발생한다.
도 9에 그 모식도를 나타낸다. 상단은 단면 모식도, 중단은 평면 모식도, 하단은 연마 속도(실선)와 연마 후의 잔류막 두께(점선)를 나타내고 있다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 종래 기술에서는, 웨이퍼(1)를 누르기 위해 압축 에어가 도입되고, 에어백의 외주부에 국소적으로 에어의 고압력이 영역(6)에 가해져, 중심부보다 압력이 높아진다. 고압력부에 의해 위에서부터 눌러진 웨이퍼(1)는, 고가압 영역(X)이 되는 압력이 강한 영역의 절연막의 연마 레이트가 증대하여, 위에서부터 누르는 압력이 작은 중심부보다 많이 깎여져, 고가압 영역(X)에서는 절연막 재료의 평탄화 후의 웨이퍼(1)에서의 면내 균일성이 악화되어 버린다.
또 특허문헌 2에 나타난 에어백을 가압할 때에 웨이퍼 영역을 세분화하여 분압하는 방법을 채용한 헤드 구조에서는, 에어 분압을 위한 레귤레이터 장치를 많이 갖는 구조 때문에, 장치 규모가 크고, 복잡한 제어 기구가 되어 버린다.
본 발명은, 상기의 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 간이한 구성이면서도 연마의 균일성을 갖는 연마 헤드, 연마 헤드를 갖는 CMP 연마 장치 및 CMP 연마 장치를 이용한 반도체 집적회로 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 이하의 수단을 이용한다. 즉, CMP 연마 장치의 헤드의 에어백으로부터 피연마재의 웨이퍼에 가해지는 응력을 균일하게 분산하기 위해,
1. 에어백 아래에 금속이나 세라믹으로 이루어지는 응력 분산판을 배치하고, 응력 분산판과 하방의 웨이퍼의 사이에 충격 흡수 시트를 설치한다.
2. 응력 분산판을 적층체로 한다.
3. 응력 분산판의 표면을 구면형상으로 한다.
상기의 수단을 단독 혹은 조합하여 이용함으로써, 웨이퍼 전면을 균일하게 누르는 구조로 하였다.
상기 수단을 이용함으로써, 웨이퍼를 누르는 헤드부는 균일하게 가압된 응력이 에어백과 응력 분산판과 충격 흡수 시트를 통해 전달되어, 웨이퍼 전면을 균일하게 누를 수 있으며, 웨이퍼의 피연마 재료의 웨이퍼 면내 막두께 편차가 저감된 연마 헤드, 연마 헤드를 갖는 CMP 연마 장치 및 CMP 연마 장치를 이용한 반도체 집적회로 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예를 나타내는 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 단면도이다.
도 8은 종래의 CMP 연마 장치의 연마 헤드의 모식 평면도와 모식 단면도이다.
도 9는 종래의 CMP 연마 장치로 연마했을 때의 웨이퍼 면내 잔류막 편차를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면에 의거하여 각각의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 모식 단면도이며, 특히 CMP 연마 장치의 헤드 부분의 단면 구조를 모식적으로 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 도 9에 나타내는 종래 기술에서는, 에어백에 압축 에어가 도입되면, 에어백의 외주부인 영역(6)에 국소적으로 에어의 고압력이 가해져, 중심부보다 압력이 높아진다. 고압력부(6)에 의해 위에서부터 눌러진 웨이퍼(1)는 압력이 강한 영역의 피연마 재료(예를 들면, 절연막)의 연마 레이트가 증대하여, 위에서부터 누르는 압력이 작은 중앙부보다 많이 깎여져, 평탄화 후의 웨이퍼(1)에서의 고가압 영역(6)에 위치하는 피연마 재료의 면내의 균일성이 악화되어 버리고 있었다.
도 1의 CMP 연마 장치에서는, 표면을 아래를 향하게 하여 연마 패드(5) 상에 놓여진, 반도체 집적회로 장치가 표면에 다수 설치된 웨이퍼(1)의 이면 상에 에어백(4)이 배치되고, 압축 에어가 에어백(4)으로 이송됨으로써, 웨이퍼(1)를 위에서부터 누르도록 고정하는 구조로 되어 있다. 웨이퍼(1)와 에어백(4)을 측면에서 둘러싸도록 리테이너 링(3)이 배치되고, 그들을 둘러싸도록 톱 링(2)이 배치되어 있다. 웨이퍼(1) 아래에는 연마 패드(5)가 배치되고, 웨이퍼(1)를 포함하는 톱 링(2)이 연마 패드(5) 상을 회전하면서, 웨이퍼(1) 표면의 피연마재(예를 들면, 절연막)를 연마하여 평탄화하고 있다.
또한 도 1에서 나타내는 바와 같이, 에어백(4) 아래에는, 금속이나 세라믹 등의 재료의 단일 소재, 혹은 복합 소재로 만들어진 판형상의 응력 분산판(101)과, 또한 그 아래에, 충격 흡수 시트(102)(예를 들면, 겔상 시트 등)를 배치하고, 웨이퍼(1)를 누르는 구조로 하고 있다. 이때 응력 분산판(101)은 에어백(4)의 압력을 충분히 받아낼 만한 경도와, 균일한 두께를 갖도록 최적인 조건으로 연구되고 있으므로, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 받아내어, 균일하게 압력을 하부에 전달할 수 있다.
또 응력 분산판(101) 아래에 충격 흡수 시트(102)를 배치함으로써, 웨이퍼(1)에 전달되는 압력의 충격을 완화하면서 웨이퍼 전면에 균일하게 압력을 전달하는 것이 가능해진다. 여기서 응력 분산판(101)과 충격 흡수 시트(102)의 평면형상은 동일하게 하는 것이 바람직하고, 이들은 웨이퍼(1)보다 큰 평면 형상을 갖는다.
에어백(4)은 고무 등의 유연성이 있는 소재 내에 압축 에어를 충전한 것으로 그 영률은 작은 것이다. 이에 반해, 그 아래에 설치된 응력 분산판(101)에 이용되는 금속이나 세라믹의 영률은, 구리로 120GPa 정도, 몰리브덴으로 330GPa 정도, 텅스텐으로 400GPa 정도, 탄화규소로 600GPa 정도, 탄화텅스텐으로 550GPa 정도로 에어백(4)의 영률과 비교하여 매우 높아지고 있다.
이 때문에, 에어백(4)으로부터 국소적으로 가해진 압력은 수직 방향이 아니라 수평 방향으로 분산되어, 응력 분산판(101)이 국소적으로 변형되지 않고, 균일하게 변형되게 된다. 그리고, 응력 분산판(101)의 변형에 의한 응력은 아래에 설치된 충격 흡수 시트(102)를 통해 웨이퍼(1)에 전달되어, 웨이퍼(1)가 연마되게 된다. 이 때, 국소적으로 가해진 압력에 의해 웨이퍼 주변부에서의 연마 속도가 극히 높아지는 일은 없다.
응력 분산판(101)을 복합 소재로 이루어지는 적층체로 하는 경우, 영률이 작은 소재를 에어백측, 영률이 큰 소재를 충격 흡수 시트측에 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 영률이 70GPa 정도인 알루미늄과 영률이 400GPa 정도인 텅스텐의 적층체를 응력 분산판(101)에 이용하는 경우는 알루미늄을 에어백(4)과 접하도록 배치하는 것이 바람직하고, 이 구성으로 함으로써 국소적인 압력이 분산되기 쉽고, 보다 균일한 연마가 가능해진다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 도시하는 모식 단면도이며, CMP 연마 장치의 에어백(4)과 그 아래의 응력 분산판(201)만을 간이적으로 나타내고, 그 아래의 충격 흡수 시트 등을 생략하여 도시하고 있다. 우선 도 9에 나타내는 바와 같이, 종래 기술에서는, 국소적으로 에어의 고압력이 가해지는 고압력부 영역(6)의 피연마재의 연마 레이트가 증대하여, 평탄화의 균일성이 악화되는 영역이 파악되고 있다. 이것은 에어백(4)의 압력이 에어 유출입구와, 리테이너 링(3)에 근접하는 부분에서 높아지기 때문이다.
실시예 1에서는 균일한 두께를 갖는 응력 분산판(101)을 이용하는 구조인 것에 반해, 도 2에 나타내는 실시예에서는, 고압력부 영역(6)의 압력(또는 응력)을 분산하여 하부에 전달하기 위해, 응력 분산판(201)의 형태를 에어 유출입구로부터 웨이퍼(1)의 중앙부 방향으로 멀어질수록 서서히 두께를 두껍게 하는 구조로 하였다. 도시하고 있지 않지만, 깊이 방향도 동일한 형상으로 되어 있으며, 에어백(4)과 접하는 응력 분산판(201)의 상면은 볼록 구면형상으로서, 그 중심부가 가장 높아지고 있다. 반대측의 충격 흡수 시트와 접하는 부분은 평평한 평면으로 되어 있다.
이와 같이 함으로써, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 보다 균일하게 분산하여, 하부에 전달하는 것이 가능해진다. 응력 분산판(201)의 두께는, 피연마재마다 시험 연마를 실시하고, 연마 후의 웨이퍼 면내의 잔류막의 막두께차를 확인하면서 최적인 두께 형상으로 조정하면 된다. 또한 도면 중 응력 분산판(4) 내측의 화살표는 압력(또는 응력) 분산의 상태를 도시한 것이다. 이후의 실시예에서도 분산의 상태를 화살표로 도시하고 있다.
다음으로 도 3은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 모식 단면도이며, 실시예 1이 균일한 두께를 갖는 응력 분산판(101) 구조인 것에 반해, 고압력부 영역(6)의 압력(또는 응력)을 분산하여 하부에 전달하기 위해, 응력 분산판(301)의 형태를 에어 유출입구의 직하에만 부분적으로 완만한 커브형상의 볼록 구면형상을 갖는 구조로 하여, 타영역보다 응력 분산판(301)의 두께를 두껍게 하였다.
이와 같이 함으로써, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 보다 균일하게 분산하여, 하부에 전달하는 것이 가능해진다. 응력 분산판(301)의 에어 유출입구의 직하에만 부분적으로 형성된 완만한 커브형상의 볼록 구면형상의 두께는, 피연마재마다 시험 연마를 실시하고, 연마 후의 웨이퍼 면내의 잔류막의 막두께차를 확인하면서 최적인 두께 형상으로 조정하면 된다.
다음으로 도 4는 본 발명의 제4 실시예를 나타내는 모식 단면도이며, 실시예 1이 균일한 두께를 갖는 응력 분산판(101) 구조인 것에 반해, 고압력부 영역(6)의 압력(또는 응력)을 분산하여 하부에 전달하기 위해, 응력 분산판(401)의 형태를 에어 유출입구로부터 웨이퍼(1) 중앙부로 멀어질수록 서서히 두께를 얇게 하는 구조, 또한 에어백(4)의 형상에 맞추어 응력 분산판(401)의 전영역에 완만한 커브형상의 오목 구면형상을 갖는 구조로 하였다.
이와 같이 함으로써, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 보다 균일하게 분산하여, 하부에 전달하는 것이 가능해진다. 응력 분산판(401)의 두께는, 피연마재마다 시험 연마를 실시하고, 연마 후의 웨이퍼 면내의 잔류막의 막두께차를 확인하면서 최적인 두께 형상으로 조정하면 된다.
다음으로 도 5는 본 발명의 제5 실시예를 나타내는 모식 단면도이며, 실시예 1이 균일한 두께를 갖는 응력 분산판(101) 구조인 것에 반해, 고압력부 영역(6)의 압력(또는 응력)을 분산하여 하부에 전달하기 위해, 응력 분산판(501)의 형태를 에어 유출입구의 직하에만 부분적으로 완만한 커브형상의 오목 구면형상을 갖는 구조로 하여, 타영역보다 응력 분산판(501)의 두께를 얇게 하였다. 또한 반대측의 충격 흡수 시트와 접하는 부분은 평평한 평면으로 하고 있다.
이와 같이 함으로써, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 보다 균일하게 분산하여, 하부에 전달하는 것이 가능해진다. 응력 분산판(501)의 에어 유출입구의 직하에만 부분적으로 형성된 완만한 커브형상의 오목 구면형상의 두께는, 피연마재마다 시험 연마를 실시하고, 연마 후의 웨이퍼 면내의 잔류막의 막두께차를 확인하면서 최적인 두께 형상으로 조정하면 된다.
다음으로 도 6은 본 발명의 제6 실시예를 나타내는 모식 단면도이며, 실시예 1이 균일한 두께를 갖는 응력 분산판(101) 구조인 것에 반해, 고압력부 영역(6)의 압력(또는 응력)을 분산하여 하부에 전달하기 위해, 응력 분산판(601)의 형태를 실시예 2의 볼록 구면형상을 상하 반대로 하여, 에어 유출입구로부터 웨이퍼(1) 중앙부로 멀어질수록 완만하게 두께를 두껍게 하는 구조로 하였다.
즉, 응력 분산판(601)이 에어백(4)과 접하는 상면은 평평한 평면이고, 반대측의 충격 흡수 시트와 접하는 하면에 볼록 구면형상을 갖는 구조이다. 이와 같이 함으로써, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 보다 균일하게 분산하여, 하부에 전달하는 것이 가능해진다. 응력 분산판(601)의 형상을 특징으로 한 중앙부의 두께는, 피연마재마다 시험 연마를 실시하고, 연마 후의 웨이퍼 면내의 잔류막의 막두께차를 확인하면서 최적인 두께 형상으로 조정하면 된다.
마지막으로 도 7은 본 발명의 제7 실시예를 나타내는 모식 단면도이며, 실시예 1이 균일한 두께를 갖는 응력 분산판(101) 구조인 것에 반해, 고압력부 영역(6)의 압력(또는 응력)을 분산하여 하부에 전달하기 위해, 응력 분산판(701)의 형태를 실시예 5와는 천장과 바닥을 뒤집은 형상으로 함으로써, 에어백(4)으로부터의 압력(또는 응력)을 보다 균일하게 분산하여, 하부에 전달하는 것이 가능해진다.
응력 분산판(701)의 에어 유출입구의 직하에만 형성된 완만한 부분적인 오목 구면형상의 두께는, 피연마재마다 시험 연마를 실시하고, 연마 후의 웨이퍼 면내의 잔류막의 막두께차를 확인하면서 최적인 두께를 갖는 형상으로 조정하면 된다.
1: 웨이퍼 2: 톱 링
3: 리테이너 링 4: 에어백
5: 연마 패드 6, X: 국소적인 고가압 개소
7: 국소적인 고가압 개소에 의해 잔류막 불균일에 따른, 웨이퍼의 품질 이상 영역
8: 에어 유출입구
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701: 응력 분산판
102: 충격 흡수 시트

Claims (14)

  1. CMP 연마 장치의 연마 헤드로서,
    연마 패드와,
    상기 연마 패드의 표면에 놓여진 웨이퍼의 이면 방향으로부터 상기 웨이퍼의 표면을 상기 연마 패드에 누르는 에어백과,
    상기 에어백의 측면을 둘러싸는 리테이너 링과,
    상기 에어백과 상기 웨이퍼와 상기 리테이너 링을 둘러싸는 톱 링과,
    상기 에어백과 상기 웨이퍼의 사이에 설치된 응력 분산판과 충격 흡수 시트를 가지며,
    상기 에어백과 접촉하는 상기 응력 분산판의 상면이 구면형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구면형상이 볼록 구면형상인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 볼록 구면형상이 상기 에어백의 에어 유출입구 하방에 부분적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 구면형상이 오목 구면형상인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 오목 구면형상이 상기 에어백의 에어 유출입구 하방에 부분적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  7. CMP 연마 장치의 연마 헤드로서,
    연마 패드와,
    상기 연마 패드의 표면에 놓여진 웨이퍼의 이면 방향으로부터 상기 웨이퍼의 표면을 상기 연마 패드에 누르는 에어백과,
    상기 에어백의 측면을 둘러싸는 리테이너 링과,
    상기 에어백과 상기 웨이퍼와 상기 리테이너 링을 둘러싸는 톱 링과,
    상기 에어백과 상기 웨이퍼의 사이에 설치된 응력 분산판과 충격 흡수 시트를 가지며,
    상기 충격 흡수 시트와 접촉하는 상기 응력 분산판의 하면이 구면형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 구면형상이 볼록 구면형상인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 구면형상이 오목 구면형상인 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 오목 구면형상이 상기 에어백의 에어 유출입구 하방에 부분적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  11. 청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 분산판이 금속, 세라믹 중 어느 하나, 또는 2개 이상의 복합막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 복합막은, 영률이 다른 복수의 소재의 적층체로서, 상대적으로 영률이 작은 소재가 상기 에어백과 접하는 것을 특징으로 하는 연마 헤드.
  13. 청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 연마 헤드를 갖는, CMP 연마 장치.
  14. 청구항 13에 기재된 CMP 연마 장치를 이용하여 웨이퍼 표면을 평탄화하는 공정을 갖는 반도체 집적회로 장치의 제조 방법.
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